SISÄLLYSLUETTELO 1. JOHDANTO...3

Transkriptio

1 Tupakan kemiaa Kandidaattitutkielma Tekijä: Hanna Hankaniemi Helsingin yliopisto Matemaattisluonnontieteellinen tiedekunta Kemian laitos Kemian opettajankoulutusyksikkö Pvm: Ohjaajat: Maija Aksela, Mikko Oivanen

2 SISÄLLYSLUETTELO 1. JOHDANTO TUPAKKA YLEISTÄ TUPAKASTA TUPAKAN HISTORIA TUPAKAN SAVUN KOOSTUMUS JA KEMIALLISET OMINAISUUDET NIKOTIINI HÄKÄ MUUT TUPAKAN SAVUN AINEET YMPÄRISTÖSSÄ TUPAKAN NIKOTIINI ELIMISTÖSSÄ NIKOTIININ IMEYTYMINEN NIKOTIININ METABOLIA NIKOTIININ VAIKUTUKSET ELIMISTÖÖN YHTEENVETO LÄHTEET 2

3 1. JOHDANTO Tupakka on monimutkainen kemiallinen systeemi, joka herättää tutkijoissa paljon mielenkiintoa. Yksi tärkein syy tähän on tupakan ja sen palamisen yhteydessä vapautuvien aineiden vaikutukset ihmiseen ja ihmisen elinympäristöön. Tupakoiva ihminen on hyvin yleinen näky monen maan katukuvassa. Suomessa tupakkaa polttaa päivittäin noin miljoona ihmistä. (Pennanen ym., 2006) Tupakoinnin kultavuosista 1970-luvulta lähtien naisten tupakointi Suomessa on lisääntynyt aina 1990-luvulle asti, kun taas miesten tupakointi on vähentynyt. (Helakorpi ym., 2011). Viimeisimpien tutkimusten mukaan työikäisistä säännöllisesti tupakoivista naisia on 16% ja miehiä 23% luvulla aloitettu monipuolinen ja monitahoinen työ tupakoinnin aloittamisen ehkäisemiseksi ja tupakoinnin vähentämiseksi on alkanut kantaa hedelmää, sillä tänä päivänä sekä miesten että naisten säännöllinen tupakointi on laskussa. (Helakorpi ym., 2011; Heloma ym., 2012) Tupakoinnin terveysvaikutuksia ihmiseen on tutkittu paljon. Kansanterveyslaitoksen mukaan tupakointi on yksi suurimmista kansanterveyden uhista. (Pennanen ym., 2006) Sen tunnetuin terveydelle haitallinen vaikutus on karsinogeenisuus. Se on tärkein keuhkosyövän syntyä edistävä tekijä. (Koulu ym., 2001) Miesten keuhkosyövistä arviolta noin 90% johtuu tupakoinnista ja kokonaisuudessaan joka kolmas syöpätapaus Suomessa voidaan liittää tupakkaan. (Pennanen ym., 2006) Tupakalla on suuri rooli myös keuhkoahtaumataudin (COPD) synnyssä. Suomessa yhdeksän kymmenestä keuhkoahtaumapotilaasta polttelee. Kolmas merkittävä terveysriski on sydämeen ja verisuonistoon kohdistuvat haitalliset vaikutukset. Suomessa joka viidennessä sydänperäisessä kuolemassa tupakka on tärkeä riskitekijä. Tämän työn tarkoituksena on tehdä lyhyt katsaus siihen mitä tupakka on, millainen historia sillä on sekä valottaa tunnetuimpien tupakan savun sisältämien aineiden kemiaa. Lisäksi työssä perehdytään nikotiinin kulkuun ja fyysisiin vaikutuksiin elimistössä. 3

4 2. TUPAKKA 2.1. YLEISTÄ TUPAKASTA Tupakka on Keski-Amerikasta kotoisin oleva kasvi. Luonnossa se ei ole kovin yleinen, koska se on kasvupaikkansa suhteen vaativa. Tupakkakasvi kasvaa yleensä noin 2 metriä korkeaksi ja on kookas, isolehtinen, yksivuotinen kasvi. Tupakkalajeja tunnetaan 12. Niistä suosituimpia ovat virginiantupakka (Nicotiana tabacum) sekä vahvempi palturitupakka (Nicotiana rustica). (Lahtinen, 2007) Tupakkaa käytetään nautintoaineena monessa eri muodossa. Savukkeiden polttaminen on tupakan yleisin käyttömuoto. (Koulu ym., 2001) Tupakkatuotteita poltettaessa sen nautintoaineena toimiva nikotiini imeytyy elimistöön keuhkoista hengitettävän savun mukana. Muissa käyttömuodoissa, kuten nuuska tai purutupakka, tupakkakasvista tehty massa laitetaan huulen alle tai suuhun josta nikotiinin imeytyy elimistöön suun limakalvon läpi. Tupakkatuotteiden käyttöä valvotaan Suomessa tupakkalain avulla. (Finlex 1976) Lain tarkoitus on pyrkiä vähentämään tupakointia ja ennaltaehkäistä sen aiheuttamia terveyshaittoja sekä nikotiiniriippuvuutta. Tupakkalaki säätää muun muassa tupakan myyntiä ja mainontaa sekä rajoittaa käyttöpaikkoja TUPAKAN HISTORIA Tupakka on peräisin Etelä-Amerikasta, josta se levisi ensin koko Amerikkaan ja sitten Eurooppaan. Amerikassa sillä oli hyvin suuri merkitys intiaanien hengellisessä elämässä. (Lahtinen, 2007) Tupakan lehtien poltto ja muu käyttö oli keino saada yhteys tuonpuoleiseen ja niitä käytettiin esimerkiksi rituaalien yhteydessä. Lisäksi sitä käytettiin yleisparantavana lääkkeenä sen vaikutusten vuoksi. 12. lokakuuta 1492, kun espanjalainen löytöretkeilijä Kristoffer Kolumbus ( ) rantautui Bahamalle, Arawaks-niminen intiaaniheimo tarjosi hänelle mukaan kuivattuja tupakanlehtiä. (Hoffmann ym., 1997) Siitä alkoi tupakka varsinainen leviäminen ja kuuden vuosikymmenen kuluessa sitä löydettiin kasvamasta mm. Kuubasta ja Pohjois-Amerikan itärannikolta luvun lopulla Eurooppalaiset kauppalaivat toivat tupakansiemeniä Espanjaan ja Portugaliin. Sieltä tupakan käyttö polttamisen ja pureskelun muodossa levisi Ranskan hoviin ja 1600-luvun alussa muualle Eurooppaan. Suomeen ensimmäisiä eriä tupakkaa saapui (Lahtinen, 2007) 4

5 Vielä 1900-luvun alussa esimerkiksi Suomessa uskottiin vahvasti tupakkaan lääkkeenä (Lahtinen, 2007). Toisen maailmansodan aikana tupakkaa tarjottiin vapaasti sodassa oleville ja tupakoinnin suosio kasvoi koko maailmassa. (Hoffmann ym., 1997) Sodan loputtua sodassa olleet polttivat tupakkaa paljon; sikareita kului kymmeniä päivässä. Vasta 1950, kun englantilaisten tutkijoiden Dollin ja Hillin sekä amerikkalaisten tutkijoiden Wynderin ja Grahamin tutkimukset julkaistiin, ihmiset uskoivat ensimmäistä kertaa tupakan haitallisiin vaikutuksiin. Tutkimuksissa tupakka liitettiin todistetusti ensimmäistä kertaa keuhkosyöpään ja niissä osoitettiin, että tupakoinnin määrä vaikuttaa riskiin saada syöpä. Tämä tieto ja ihmisten suhtautuminen siihen loi tupakkatehtaille uuden haasteen valmistaa vähemmän terveydelle vaarallisia aineita, kuten tervaa ja nikotiinia sisältäviä tupakkatuotteita. Tupakkatuotteiden, varsinkin savukkeiden kehitys on ollut 1950-luvun havaintojen jälkeen huomattavaa. Tupakasta saatavien haitallisten aineiden, erityisesti tervan, nikotiinin ja hiilimonoksidin määrään alettiin kiinnittää enemmän huomiota. (Hoffmann ym., 1997) Merkittävin muutos on ollut filtterien yleistyminen ja niiden parantaminen. Millerin ja Monahanin raportin (1957) mukaan 1950-luvulla on ilman filtteriä olevasta tupakasta saanut tervaa mg ja nikotiinia mg. Vastaavat luvut filtterillä varustetussa tupakassa olivat tuolloin tervaa mg ja nikotiinia mg. Tämä oli merkittävä huomio, jonka jälkeen filtterillä varustetut savukkeet yleistyivät, koska kuluttajat alkoivat suosia niitä. (Hoffmann ym., 1997) Näitä kahta savuketyyppiä verrattaessa huomattiin, että filtteri vähentää haitallisten aineiden määrää keuhkoissa ja laskee todennäköisyyttä saada keuhkosyöpä 60%:iin. (Bross ym., 1968) Filtterien lisäys tupakkaan oli askel oikeaan suuntaan. Filtterien lisäksi tupakassa tapahtui myös muita parempaan suuntaan olevia muutoksia. Sen sisältämän tervan, nikotiinin ja hiilimonoksidin määrää alettiin vähentää teknologian avulla ja sen koostumusta alettiin muokata. (Hoffmann ym., 1996) Filttereitä kehitettiin ja valmistettiin eri aineista, savukepaperia vaihdettiin, eri tupakkatyyppejä sekoitettiin niin, että vahvat tupakkatuotteet laimenisivat ja haitallisten aineiden määrä vähenisi. Taulukossa 1. on koottuna tärkeimpiä muutoksia sekä vaikutuksia savun ainekoostumukseen. 5

6 Taulukko 1. Muutokset savukkeen koostumuksessa ja niiden vaikutukset valittujen myrkyllisten yhdisteiden saantiin. Taulukossa CO = hiilimonoksidi; HCN = vetysyanidi; PAH = polysykliset aromaattiset hiilivedyt; TSNA = tupakkaspesifiset nitrosoamiinit (Hoffmann ym., 1996) a Merkittävä vähentyminen b Taipumus lisääntyä c Voi lisääntyä tai vähentyä d Taipumus vähentyä e Yli 50% vähentyminen f Tuntematon EM ei merkittävää muutosta Savun yhdiste Filtteri Rei`itetty filtteri Savuke paperi Muokattu tupakka Laajennettu tupakka Virginian tupakka Terva a e a a a b a Nikotiini a e c a a c c ph EM EM EM EM EM d b CO c a EM a a b d HCN EM a EM a a c c Haihtuvat Aldehydit Haihtuvat Nitrosoamiinit EM a EM a a b a e e EM a a e b Fenolit e e EM a a b a PAHyhdisteet TSNAyhdisteet a e EM a a b a a e EM f f e b Burley tupakka Savukkeiden polton huippu oli 1960-luvulla, jonka jälkeen se on tiedon lisäännyttyä lähtenyt huomattavaan laskuun (Hoffmann ym., 1997). Nykyään esimerkiksi Suomessa tupakan sisältämien tervan, nikotiinin ja hiilimonoksidin määrä säädetään lailla. (Finlex, 2002) Suomen tupakkalaki astui voimaan Se muun muassa lopetti tupakan mainonnan, sääti tupakointiin vaadittavan alaikärajan ja rajoitti tupakoinnin mahdollisuutta. (Lahtinen, 2007) 2.3. TUPAKAN SAVUN KOOSTUMUS JA KEMIALLISET OMINAISUUDET Tupakan savu on koostumukseltaan monimutkainen ja siitä on tunnistettu yli 4800 yhdistettä. (McAughey ym, 2009). Näiden lisäksi savu sisältää tupakan valmistuksessa lisättävien, massaan vaikuttavien aineiden sekä käärepaperin palmisessa muodostuvia aineita. Tupakan savu sisältää nikotiinin lisäksi epäorgaanisia yhdisteitä kuten CO 2, CO, As 2 O 3 ym. ja orgaanisia yhdisteitä kuten 6

7 alifaattisia ja aromaattisia hiilivetyjä, alkoholeja, rasvahappoja ym. Osa aromaattisista hiilivedyistä on karsinogeeneja. Näitä ovat esimerkiksi bentspyreenit ja dibentsantraseeni. (Koulu ym. 2001) Tupakkaa poltettaessa syntyvä savu voidaan jakaa kahteen osaan; ohivirtaavaan sivusavuun ja pääsavuun. Sivusavu päätyy suoraan ympäristöön, pääsavu kulkee sisäänhengityksen kautta polttavan henkilön keuhkoihin ja päätyy uloshengityksen mukana ilmaan käyden läpi useita kemiallisia reaktioita. (Kuva 1.) (Barker ym., 2004) Kuva 1. Kaavakuva tupakan palamisesta. (Kuva muokattu Barker ym., 2004) Tupakan pääsavu on aerosoli, joka voidaan jakaa kahteen faasiin; kaasufaasiin ja hiukkasfaasiin. Suurin osa tupakan sisältämistä aineista (esimerkiksi fenoli) on hiukkasfaasissa. Kaasufaasi sisältää noin eri aineosaa, joista noin 300 voidaan määritellä aineiksi, jotka voivat muuttua haihtumalla tai kondensoitumalla ja esiintyä kummassa faasissa tahansa. Esimerkki styreeni voi esiintyä sekä hiukkas- että kaasufaasissa, kun taas asetaldehydi on täysin kaasufaasissa. Faasien kemiallinen koostumus ja aineiden jakautuminen faasien välillä muuttuu jatkuvasti. Siihen vaikuttavat aika, lämpötila, tupakan laatu ja kemiallinen koostumus. (McAughey ym, 2009) Tupakkaa polttaessa tapahtuu kemiallisia reaktioita. Yksi tärkeimmistä on pyrolyysi. (Barker ym., 2004) Siinä hiili-hiili ja hiili-vety-sidokset katkeavat korkeassa lämpötilassa ja muodostavat radikaaleja. Hapen läsnä ollessa nämä radikaalit voivat reagoida keskenään tai muiden aineiden kanssa ja muodostaa uusia yhdisteitä (Peter ym., 2003). Näiden reaktioiden vuoksi tupakan savusta 7

8 on löydetty jopa 2800 ainesosaa enemmän kuin itse tupakasta. (Barker ym., 2004) Taulukkoon 2. on kerätty muutamien aineiden pyrolyysissä tapahtuvia muutoksia. Siinä näkyy hyvin miten eri lailla aineet reagoivat tässä reaktiossa; toisille ei tapahdu mitään, kun taas toiset hajoavat useaksi eri aineeksi. Tämä kertoo miten suuri merkitys pyrolyysillä ja tupakassa tapahtuvilla reaktioilla on tupakan savun koostumukseen. Taulukko 2. Muutaman tupakassa olevan, satunnaisesti valitun aineen muutos pyrolyysissä. (Koottu Barker ym., 2004) Kemiallinen kaava, Aine, CAS numero Etikkahappo CAS Kemialliset ryhmät Molekyylipaino (M) Kiehumis- (kp) tai sulamispist e (sp) (Cº) Happo M=60 kp 118 Pyratsiini Ketoni M=122 kp Suurin sallittu määrä kaupallisissa savukkeissa (ppm) Näyteen puhtausaste (%) Aineen koostumus pyrolyysin jälkeen ,5 Etikkahappo Etikkahappoanhydridi Etanoli Osuus (%) Suurin detektoitu määrä savukkeen savussa (μg) asetyylipyratsiini asetyylipyratsiini CAS NH 4 OH Ammonium-hydroksidi CAS Epäorgaa -ninen M= Vesiliuo s Ei havaittua tuotetta - - Anisoli (Metoksibentseeni) CAS Aryylieetteri M=180 sp kp Anisoli Metyylianisoli Bentsaldehydi Bentsoehappo CAS Aryylihappo M=112 sp kp ,5 Bentsoehappo Isopropyylibentsoaatti Fenyyliasetaattihappo Fenyylibentsoaatti Etyylisinnamaatti CAS Tyydyttymätön esteri M=176 kp Etyylisinnamaatti Bentsaldehydi Styreeni Metyylisinnamaatti Taulukko jatkuu. 8

9 Omenahappo CAS Dikarbok syylihappo, Alkoholi M=134 sp Maleiinianhydridi Asetaldehydi Akryylihappo Etikkahappo Palorypälehappo Maleiinianhydridiin rinnastettava aine Metyylimaleiinianhydridi Dimetyylimaleiinianhydridi Bentseeni Metyylisyklobutaani 2 tunnistamatonta komponenttia , Nikotiini CAS Pyridiini Pyrrolidiini M=162 kp Luonnollisesti läsnä tupakan koostumuksessa 99 Nikotiini Nikotyriini Myosmiini Kotiini * * * * * ei oleellinen Koska tupakan savusta löytyy tuhansia eri yhdisteitä, on tämän työn puitteissa mahdotonta käsitellä kaikkia. Sen vuoksi teen lyhyen katsauksen muutamiin tunnetuimpiin, vaikutustensa vuoksi huomioita herättäneisiin aineisiin. 9

10 NIKOTIINI Nikotiini on luonnossa esiintyvä pyridiinialkaloidi, jota löytyy joistain Solanaceae-suvun kasveista kuten tomaatista, perunasta, munakoisosta, paprikasta sekä tupakasta (Davis ym., 1991). Saksalaiset kemistit Posselt ja Reimann eristivät sen ensimmäistä kertaa tupakan lehdistä 1828 (Henningfield ym., 2006). Lehtien tuottama myrkyllinen nikotiini on kasvin puolustusmekanismi tuhohyönteisiä vastaan (Lahtinen, 2007). Tupakkalajikkeesta sekä kasvu- ja korjausolosuhteista riippuen kasvin lehtien kuivapainosta 1-3 % on nikotiinia. (Koulu ym., 2001) Kuva 2. Nikotiinin rakenne, 3(1-metyyli-2-pyrrolidiini)pyridiini. (IPSC, 2005) Nikotiini on amiini eli emäs, jonka rakenteessa on sekä pyridiini- että pyrrolidiinirengas. (Kuva 2.) Molekyylistä löytyy stereogeeninen keskus, joten sillä esiintyy stereoisomeriaa. Luonnossa yleisempi ja hieman aktiivisempi muoto on (-) -nikotiini. (Barlow ym., 1965) Nikotiini on huoneenlämmössä öljyinen, väritön, hygroskooppinen neste, joka muuttuu ilman vaikutuksesta ruskeaksi. Nikotiinin sulamislämpötila on -80 C ja sen kiehumislämpötila on 247 C, missä se kiehumisen sijasta hajoaa. Nikotiini sekoittuu helposti veteen (1:1) ja on erittäin myrkyllinen ympäristölle. (IPSC, 2005) Nikotiinin biosynteesi on selvitetty melko hyvin, vaikka joistain yksityiskohdista löytyy eriäviä mielipiteitä. Varmaa on, että nikotiinin pääasiallinen synteesi tapahtuu kasvin juuressa. (Wagner ym., 1986) Nikotiinin molemmilla renkailla on oma biologinen alkuperänsä. (Kuva 3.) Nikotiinin pyridiinirenkaan prekursorina toimii todennäköisesti nikotiinihappo tai jokin sen metaboliitti, joka on nikotiiniamidiadeniininukleotidin (NAD) biosynteesin välituote. Tämä nukleotidi on tärkeä kasvien ja nisäkkäiden hapetus-pelkistysreaktion -kofaktori. (Dawson ym., 1956; Wagner ym. 1986; Yang ym., 1965; Peter ym., 2003) Nikotiinihappo on luultavasti peräisin kinoliinihaposta, joka muuttuu nikotiinihapoksi joutuessaan pyridiininukleotidisykliin. Nikotiinin pyrrolidiinirengas johdetaan putreskiinista. (Kuva 3.) Putreskiini-N-metyylitransferaasi (PMT) liittää putreskiinin toiseen amino-ryhmään metyyli-ryhmän, jonka seurauksena muodostuu N-metyyliputreskiini. (Hibi ym., 1992) Se hapettuu N-metyyliputreskiinioksidaasin (MPO) avulla ja muodostaa spontaanisti 10

11 rengasrakenteisen N-metyylipyrrolidinium-kationin (Katoh ym., 2007). Kun lopulta nikotiinihappo ja N-metyylipyrrolinium-kationi kondensoituvat saadaan aikaiseksi nikotiinimolekyyli. (Katoh ym., 2005) Kuva 3. Nikotiinin biosynteesi. (Muokattu Kajikawa ym., 2009) Nikotiini toimii tupakkatuotteissa nautintoaineena. Sen kulkua elimistössä käsitellään kappaleessa 3. Se esiintyy tupakassa sekä kaasu että hiukkasfaasissa. Kuumentuessaan se hajoaa. Silloin muodostuu myrkyllisiä kaasuja kuten hiilimonoksidia ja typen oksideja, jotka reagoivat kiivaasti voimakkaiden hapettimien kanssa. (IPSC, 2005) Tupakan savussa nikotiinia esiintyy vähemmän kuin itse tupakassa, koska osa nikotiinista hajoaa pyrolyysin ja muiden reaktioiden vuoksi (Koulu ym., 2001; Barker ym., 2004). Suomen valtioneuvoston päätöksessä on säädetty, että tehdasvalmisteisen savukkeen suurin sallittu nikotiinipitoisuus on 1 mg yhtä savukkeen polttoa kohden. (Finlex, 2002) HÄKÄ Häkä eli hiilimonoksidi (CO) on tuoksuton, väritön ja myrkyllinen kaasu. Sitä muodostuu yleensä hiiltä sisältävien yhdisteiden palamisessa silloin, kun happea ei ole riittävästi saatavilla. Hiilimonoksidimolekyylin rakenne voidaan esittää resonanssihydridinä. (Kuva 4.) (Zumdahl ym. 2003) 11

12 Kuva 4. Hiilimonoksidin Lewis-rakenne resonanssimuotoineen. (Peter ym., 2003) Hiilimonoksidi on yksi tupakan haitta-aineista ja sitä on hankala ihmisaisteilla havaita. Hiilimonoksidi on ihmiselle erittäin myrkyllinen kaasu. Tämä johtuu sen kyvystä muodostaa ligandi ihmisen hemoglobiinin rauta-ionin kanssa. (Kuva 5.) (Zumdahl, 2003) Kuva 5. Hemoglobiinimolekyyli. (Zumdahl, 2003, 1021) Hiilimonoksidilla on yli 200-kertainen kyky sitoutua hemoglobiinin rautaan happimolekyyliin verrattuna. (Zumdahl, 2003) Muodostuva pysyvä kompleksi, karboksihemoglobiini, estää elimistöltä normaalin hapensaannin aiheuttaen happivajeen. Jo pienet määrät hiilimonoksidia syrjäyttävät suuren määrän happea (Koulu ym., 2001). Sen vuoksi esimerkiksi Suomessa valtioneuvoston päätöksessä on säädetty, että tehdasvalmisteisen savukkeen suurin sallittu häkäpitoisuus on 10 mg yhtä savukkeen polttoa kohden. (Finlex, 2002) 12

13 MUUT Terva on tupakasta löydetty haitta-aine, jonka kemiallista koostumusta ei ole vielä täysin selvitetty. Se muodostaa merkittävän osan tupakan savun hiukkasfaasista. Terva sisältää paljon radikaaleja ja on sen vuoksi karsinogeeninen aine. Pääasiallinen radikaalinen osa on tunnistettu kinoni/semikinoni/hydrokinoni-kompleksiksi, jonka molekyylikoostumus pitää yllä tervan rakennetta. (Pryor ym., 1983) Lisäksi terva sisältää esimerkiksi polysyklisiä aromaattisia hiilivetyjä kuten bentso[a]pyreenia. Suomessa tervan määrää tupakassa rajoitetaan laissa monien karsinogeenisten aineiden vuoksi. Suomen valtioneuvoston päätöksessä on säädetty, että tehdasvalmisteisen savukkeen suurin sallittu tervapitoisuus on 10 mg yhtä savukkeen polttoa kohden. (Finlex, 2002) Tupakan ja sen savun merkittävimmät karsinogeeniset aineet ovat N-nitrosoamiinit sekä polysykliset aromaattiset hiilivedyt eli PAH-yhdisteet. (Hecht, 1998; Smith, 2000) N- nitrosoamiineja, joita kutsutaan myös tupakkaspesifisiksi nitrosoamiineiksi, löytyy sekä tupakasta että tupakan savusta. N-nitrosoamiineja yhdistää niiden rakenteesta löytyvä pyridiinirengas, joka on peräisin tupakasta löytyviltä luonnollisilta alkaloideilta nikotiinilta, nornikotiinilta, anabasiinilta sekä anatabiinilta. (Kuva 6.) (Hecht, 1998; Hoffmann ym., 1974; Hecht ym., 1978) Hoffmann kumppaneineen olivat ensimmäiset tutkijat, jotka pystyivät määrittämään N-nitrosonornikotiinin (NNN) tupakasta ja sen savusta. (Hoffmann ym., 1974) Hieman myöhemmin samat tutkijat osoittivat, että 4-(N-metyyli-N-nitrosoamino)-1-(3-pyridyyli)-1-butanoni (NNK) ja 4-(N-metyyli- N-nitrosoamino)-4-(3-pyridyyli)butanaali (NNA) muodostuvat nikotiinista. (Hecht ym., 1978) Nykyään on tunnistettu 7 tupakkaspesifistä nitrosoamiinia. Niitä ovat jo mainitut NNN ja NNK sekä NAB, NAT, NNAL, iso-nnal ja iso-nnac. (Kuva 6.) (Hecht, 1998) 13

14 Kuva 6. Tupakkaspesifisten nitrosoamiinien rakenne ja tupakan alkuperäiset alkaloidit, joista nitrosoamiinit muodostuvat. NNA:a lukuun ottamatta kaikki on löydetty tupakkatuotteista. (Hecht, 1998) PAH-yhdisteitä on tupakan savusta löydetty 17 ja ne esiintyvät tupakan savun kaasu- ja hiukkasfaasissa. (Lu ym., 2007) Tupakan kaasufaasin merkittävin komponentti on naftaleeni (NA), joka on todennäköisesti yksi tärkeä savun lähde. (Kuva 5.) Bentso[a]pyreeni (B[a]P) on vanhin ja tunnetuin PAH karsinogeeni. (Smith, 2000) Kuva 5. Bentso[a]pyreenin ja naftaleenin rakenteet. (Lu ym., 2007) 14

15 2.4. TUPAKAN SAVUN AINEET YMPÄRISTÖSSÄ Tupakan savu ja sen sisältämät aineet, kuten karsinogeenit ja nikotiini, leviävät helposti lähiympäristöön. Tupakkaa polttava ihminen aiheuttaa siten terveyshaittoja sekä itselleen että lähellään oleville tai eläville ihmisille, jotka altistuvat tupakan savun aineosille. (White ym., 1991) Tupakan savulle altistumista sanotaan passiiviseksi tupakoinniksi. Jatkuva altistuminen tupakan savulle sisätiloissa lisää kroonista yskää, limaisuutta, hengenahdistusta ja hengitysteihin liittyviä sairauksia kuten astmaa sekä silmien ärsytystä ja vilustumisen oireilua esimerkiksi nuhaa. On tutkittu, että ympäristön tupakansavuun altistuneiden ihmisten virtsan nikotiini- ja kotiinipitoisuus sekä mutageenisyys ovat verrattavissa 5 savuketta päivässä polttavan tupakoitsijan pitoisuuksiin. (Koulu ym. 2001) Pitkällä aikavälillä passiivinen tupakoija altistuu samoille tupakan terveyshaitoille kuin tupakoiva ihminen. Esimerkiksi syöpärekisterin mukaan Suomessa noin henkilöä sairastuu vuosittain keuhkosyöpään, koska altistuvat ympäristön tupakansavulle. (Pennanen, 2006) Onneksi Suomen tupakkalaki muutoksineen on vähentänyt savulle altistumista työpaikalla, kotona sekä ravintoloissa vuoden 1995 jälkeen. (Helakorpi, 2011) Yleisin tupakkaan ja tupakointiin liitettävä sairaus on syöpä. Tupakan poltolla on todettu olevan vaikutuksia moniin eri syöpiin. Yleisin tupakointiin liitettävä syöpälaji on keuhkosyöpä, joka yhdistettiin tupakan polttoon ensimmäisen kerran 1950-luvun tutkimuksissa. (Wynder ym., 1950) Vaikka tupakan savussa on monia karsinogeenisia yhdisteitä, suurin rooli keuhkosyövän synnyssä näyttäisi olevan polysyklisillä aromaattisilla hiilivedyillä (PAH) sekä tupakkaspesifisellä nitrosoamiinilla 4-(metyylinitrosoamino)-1- (3-pyridyyli)-1-butanonilla (NNK) (Hecht ym., 1998; Hecht, 1999). Muita tupakkaan liitettyjä, kuoleman riskiä lisääviä syöpämuotoja ovat suun, nielun, kurkunpään ja ruokatorven syöpä sekä haiman ja virtsarakon syöpä. (Shapiro ym., 2000) Tupakan savun sisältämät aineet ovat haitallisia myös ympäristölle. Tupakan sisältämä nikotiini on erittäin myrkyllistä vesieliöille. (IPSC, 2005) Tupakasta ilmoille pääsevät kaasu- ja hiukkasfaasin aineet ovat yksi merkittävistä sisäilman pienhiukkaspäästöistä, jos tupakkaa poltetaan sisätiloissa. Ilmansaasteista esimerkiksi PAH -yhdisteitä on tupakoivien kodin ilmastossa enemmän mitä savuttomassa kodissa. (Lu ym., 2007) Ihmisille haitallisten karsinogeenisten aineiden lisäksi tupakan savussa vapautuu ilmaan esimerkiksi hiilimonoksidia, joka hapettuu helposti ilman hapen vaikutuksesta hiilidioksidiksi. Hiilidioksidi on tunnettu kasvihuonekaasu joka vahvistaa maapallon kasvihuoneilmiötä. (Zumdahl, 2003) Vaikka ajatellaan, että tupakasta vapautuva savun määrä on vähäistä, sen vaikutukset ympäristöömme ovat merkittävät. 15

16 3. TUPAKAN NIKOTIINI ELIMISTÖSSÄ 3.1. NIKOTIININ IMEYTYMINEN Nikotiinin imeytymistä on tutkittu melko paljon, mutta sen imeytymisen mekanismi ei ole täysin selvä. Nikotiini imeytyy elimistöön hyvin hengitysteiden ja suun limakalvolta sekä suolistosta ja iholta. Tämän työn puitteissa käsittelen lähinnä nikotiinin imeytymistä keuhkoista, koska se on aiheen kannalta keskeisin imeytymisreitti. Tupakan savussa olevan nikotiinin imeytymistä edistävät inhalaation syvyys, savun ph ja savun nikotiinipitoisuus. Kuvassa 6 näkyy nikotiinin kulku tupakansavusta ihmisen keuhkoihin. (Koulu ym, 2001) Kuva 6. Nikotiinin kulku tupakasta polttavan henkilön aivoihin. Tupakoinnissa imeytyvän nikotiinin määrä vaihtelee tupakkatuotteesta ja tupakointitavasta riippuen. Esimerkiksi pikkusikarin savussa on pyrolyysin jälkeen biologisesti määriteltynä nikotiinia noin 1 % kuivapainosta eli mg. Imeytyvän nikotiinin määrä on vain 2-3 mg, koska suurin osa siitä kertyy sikarin polttamattomaan osaan. Savuketta polttaessa nikotiinia imeytyy noin 0,5-2 mg ja imeytyminen on nopeampaa. Jos savuke tai sikari poltetaan hyvin tarkasti loppuun asti nikotiinipitoisuudet nousevat suuremmiksi. (Koulu ym, 2001) 16

17 Nikotiinin imeytyminen tupakoitaessa on nopeaa. Rose ym. (1999) tutkimuksessa verrattiin nikotiinin pitoisuusarvoja verenkierrossa inhaloidun ja suoraan suoneen menevän annoksen välillä. Tutkimuksessa inhaloidun nikotiinin konsentraatiohuippu oli 20 sekuntia ensimmäisen imaisun jälkeen ja suoraan suoneen pistetyn 30 sekuntia pistoksesta. Nikotiini imeytyy siis keuhkoista hyvin nopeasti. Koska imeytyvä nikotiinin määrä ei vastannut tutkimuksissa oletettua arvoa osa siitä jää tutkimuksen mukaan todennäköisesti keuhkokudokseen ja metaboloituu siellä. ph:n vaikutusta nikotiinin imeytymiseen on tutkittu paljon. Koska nikotiinin molekyylissä on kaksi emäksistä rengasta, sille löytyy kaksi pka-arvoa (7,84 ja 3.04), kun lämpötila on 25ºC. Se protonoituu kahdessa vaiheessa. (Kuva 7.) Liuoksessa, jonka ph on 3.04 diprotonoitunut ja monoprotonoitunut muoto esiintyvät suhteessa 1:1. Vastaavasti liuoksessa, jonka ph on 7.84 monoprotonoitunut ja varaukseton muoto esiintyvät suhteessa 1:1. Koska keuhkojen ja veren ph on luonnollisesti puskuroitu lähellä neutraalia (ph 7.4), tupakan savusta keuhkoihin päätyvä nikotiini on pääasiallisesti keuhkoissa varauksettomassa muodossa tai monoprotonoituneena. Diprotonoitunutta muotoa ei näissä olosuhteissa juurikaan esiinny. (Nair ym., 1997) Kuva 7. Nikotiinin protonoituneet muodot Nikotiinin imeytymiselle on esitetty monia eri vaihtoehtoja, mutta yhteiseen vahvaan mielipiteeseen ei vielä ole päästy. Tällä hetkellä todennäköisimpänä mekanismina pidettävä versio on Nair ym. (1997) tutkimuksessa esitetty mekanismi. He tutkivat ph:n vaikutusta nikotiinin imeytymiseen sian limakalvojen ja ihon läpi. Kuten juuri todettiin, keuhkojen limakalvoilla esiintyy pääasiallisesti nikotiinin monoprotonoitunut ja varaukseton muoto. (Kuva 8.) Näiden muotojen välillä protonin siirtoa tapahtuu koko ajan. Nair ym. (1997) tutkimustulosten perusteella varaukseton nikotiini kulkeutuu limakalvon läpi paremmin ja nopeammin kuin protonoitunut nikotiini. Sen vuoksi imeytyminen tapahtuu pääasiassa varauksettomassa muodossa. Varauksettoman ja protonoituneen nikotiinin tasapaino on kuitenkin enemmän protonoituneen muodon puolella elimistön olosuhteissa, jonka vuoksi imeytynyt nikotiini protonoituu nopeasti päästyään limakalvon läpi. Myös verenkierto aiheuttaa nopeasti nikotiinin pitoisuuden laskun veren puolelle. Tämä lisää nikotiinin imeytymistä. Vaikka tutkimuksessa ei tutkittu keuhkojen limakalvoa, siinä tutkitun nenän limakalvon olosuhteet 17

18 ovat lähellä syvällä olevaa keuhkojen limakalvoa. Tämän perusteella voidaan olettaa, että myös osa protonoituneesta nikotiinista imeytyy limakalvon läpi. Mekanismia tälle siirtymälle ei tunneta. Kuva 8. Nikotiinin imeytyminen keuhkoista. (Seeman, 2007) Imeytymisen jälkeen nikotiini kertyy mm. aivoihin, josta se poistuu lipidiliukoisena aineena aivojen hyvän verenkierron ansiosta nopeasti. Keskushermostovaikutuksia voidaan todeta jo 7 sekunnin kuluttua inhalaatiosta. Suuria pitoisuuksia nikotiinia on myös lisämunuaisen ytimessä, autonomisen hermoston ganglioissa ja munuaisissa. (Koulu ym., 2001) 18

19 3.2. NIKOTIININ METABOLIA Nikotiinin metaboliaa on tutkittu paljon ja sen metabolia elävässä organismissa on monimutkainen. Nikotiinin puoliintumisaika on 1/2-1 1/2 tuntia elimestä riippuen. (Koulu ym., 2001) Pääasiallinen metabolia tapahtuu maksassa, josta nikotiinin ja sen metaboliitit erittyvät pääsääntöisesti virtsaan. Nikotiinin päämetaboliitti on hitaasti eliminoituva ja varsin inaktiivinen kotiini, jonka pitoisuus säännöllisesti polttavan ihmisen veressä ja virtsassa on suuri. Muita tärkeitä virtsasta löydettäviä metaboliitteja ovat nikotiini sekä trans-3`-hydroksikotiini sekä näiden ja kotiinin glukuroituneet konjugaatit. (Byrd ym.,1992) Lisäksi nikotiinille on löydetty paljon muita metaboliitteja kuten demetyylikotiini, nikotiini-n`-oksidi sekä kotiini-n-oksidi. Nikotiinin metabolia voidaan jakaa kahteen vaiheeseen. Ensimmäinen vaihe sisältää nikotiinin mikrosomaalisen hapettumisen ja toinen vaihe nikotiinin ja sen metaboliittien glukuronidaation. Molemmat tapahtuvat maksassa. Suurimmalla osalla ihmistä nikotiini metaboloituu %:sti kotiiniksi C-hapetuksen kautta. Tämä ensimmäiseen vaiheeseen kuuluva reitti on yleisin nikotiinin metaboloitumisreitti. C-hapetuksessa nikotiini muuttuu ensin hydroksyloitumalla 5`hydroksinikotiiniksi ja sitten hapettumalla aldehydioksidaasin avulla vastaavaksi aldehydiksi, kotiiniksi. (Kuva 9.) (Hucker ym. 1960) Tapahtumasta vastaa pääosin ihmisen maksan mikrosomaalinen entsyymi sytokromi P4502A6 (CYP2A6), jonka on todettu olevan yksi tärkeimmistä entsyymeistä nikotiinin C-hapetuksessa. (Nakajima ym. 1996) CYP2A6 geneettinen polymorfismi vaikuttaa siihen miten tehokkaasti entsyymi toimii. Tämä aiheuttaa yksilöllisiä eroja nikotiinin metabolianopeudessa. On myös raportoitu, että kotiini voi muodostua nikotiini iminiumionin kautta. (Kuva 9.) Nikotiini iminium-ioni muodostuu todennäköisesti 5`-hydroksinikotiinista, kun se menettää vettä. (Murphy, 1973) Nornikotiini ja demetyylikotiini löydettiin sekä eläinten että ihmisten virtsasta (-)-nikotiinin ja (-) -kotiinin annostelun jälkeen. (Bowman ym.,1962) Nikotiini voi C-hapettua myös tätä reittiä, mutta mekanismia ja siihen liittyvää entsyymiä ei kuitenkaan tunneta. 19

20 Kuva 9. Nikotiinin C-hapetus. (Kuva muokattu Yildiz, 2004) Nikotiinin metabolia ja tupakoivan ihmisen virtsasta löydetyt metaboliitit liittyvät läheisesti myös kotiinin metaboliaan. Nikotiinin muuttuminen kotiiniksi säätelee kotiinin muuttumista omiksi metaboliiteiksi vaikuttamalla CYP2A6 entsyymiaktiivisuuteen. (Nakajima ym. 1996) Tämä entsyymi vastaa monien kotiinin metaboliittien kuten trans-3`-hydroksikotiinin, norkotiinin ja 5`hydroksikotiini synnystä. Trans-3`-hydroksikotiini on yksi merkittävimmistä, virtsasta löydetyistä nikotiinin metaboliiteista. (Murphy ym., 1999) C-hapetuksen lisäksi nikotiini voi metaboloitua N- hapetuksen tai N-metylaation kautta. N-hapetuksessa metaboliatuotteina ovat nikotiini-n`-oksidi sekä kotiini-n-oksidi. (Byrd ym.,1992) Näiden metaboliamekanismien osuus kokonaismetaboliasta on kuitenkin pieni. Nikotiinin metabolian toinen vaihe glukuronidaatio tapahtuu vain kolmelle nikotiinin metaboliitille; nikotiinille, kotiinille sekä trans-3`-hydroksikotiinille. (Kuva 10.) Nämä metaboliittimuodot ovat hyvin tärkeitä; niiden määrä polttavan ihmisen virtsassa on merkittävä. Yksilöllinen vaihtelu on kuitenkin huomattavaa ja glukuronidaatiota pidetään yhtenä tärkeimmistä syistä nikotiinin metabolian suuriin eroihin yksilöillä. (Byrd ym.,1992) 20